中國礦大《JMST》綜述：增材制造金屬玻璃和高熵合金

第一作者：劉海順
通訊作者：楊衛(wèi)明 張來昌
通訊單位：中國礦業(yè)大學 埃迪斯科文大學

本文全面評述了過去20年來金屬玻璃和高熵合金增材制造領域的發(fā)展現(xiàn)狀,。這樣系統(tǒng)和全面的評述對今后的工作是重要和必要的,。尤其令人印象深刻的是,，論文中總結了許多金屬玻璃與高熵合金性質、制備過程及發(fā)展方向等方面的漂亮表格,，這對后續(xù)研究者非常有用,。

全文速覽
文章系統(tǒng)全面綜述了金屬玻璃和高熵合金增材制造的歷史、現(xiàn)狀與前景,，包括傳統(tǒng)制造遇到的困難及金屬玻璃和高熵合金增材制造的優(yōu)勢,，討論了增材制造金屬玻璃和高熵合金的體系,、缺陷、孔隙,、密度及力學,、磁學、催化等各種性能的最新研究進展,，總結了性能提升的各種措施，并就目前遇到的問題挑戰(zhàn)提出解決方案,、指出了未來的方向,。

研究背景
金屬玻璃和高熵合金是近年來引起廣泛關注的兩種代表性新型合金，他們都是多組元金屬材料,，具有有趣的微觀結構,，表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能（如超高強度和硬度、高耐磨性,、高彈性極限）及高的耐腐蝕性能,、先進的催化性能、生物相容性及出色的磁學性能,；它們通�,？衫�用液體凝固（例如，鑄造,、熔體紡絲）制造,，但在大尺寸和復雜幾何形狀部件的制造方面遇到了瓶頸。

作為新興的簡便且可定制的制造技術,，增材制造以分層方式進行制造,，材料浪費少、靈活性高,，且無需模具即可制造高度復雜的幾何形狀,，又能克服臨界尺寸的限制，廣泛應用于電子,、航空航天,、機器人、醫(yī)藥等眾多領域,。增材制造中,，原料的熔化和隨后的凝固被限制在高能束掃描引起的微小區(qū)域中（通常為幾十微米），冷卻速率可達103–108K/s,，極高的選區(qū)融化冷卻速率利于完全非晶態(tài)金屬玻璃的形成,，也可以通過限制擴散提高高熵合金的化學均勻性；增材制造還可用于調控金屬部件的微觀結構,。金屬玻璃和高熵合金增材制造的探索方興未艾,。

研究出發(fā)點

① 全面,、系統(tǒng)、及時,、綜合總結與概括了關于金屬玻璃及高熵合金增材制造的歷史,、現(xiàn)狀、存在問題與未來研究方向,，如圖1所示,。

② 比較歸納了適合金屬玻璃及高熵合金的各種增材制造技術，包括激光選區(qū)融化,、電子束熔化,、直接能量沉積等。

③ 總結歸納了增材制造金屬玻璃及高熵合金的微觀結構及其力學,、磁學,、催化等性能提升的策略與途徑。

④ 就金屬玻璃及高熵合金增材制造探索中遇到的問題與挑戰(zhàn),，歸納提出了解決方案,，展望了未來方向。


圖文解析

圖2為2005年以來與MG/HEA和AM相關的論文數(shù)量,，近年來出現(xiàn)了爆炸式增長,。

圖3為增材制造的金屬玻璃體系及其占比，占主導地位的為鋯基與鐵基金屬玻璃,，鈦基,、鋁基、銅基等金屬玻璃也有探索,，研究領域有待進一步擴展,。

表1-2為激光選區(qū)融化制造金屬玻璃和高熵合金的參數(shù)，不同的制造參數(shù)會導致不同微觀結構與不同性能的出現(xiàn),，裂紋,、晶化、孔洞等現(xiàn)象的出現(xiàn)與制造參數(shù)緊密相關,，需要優(yōu)化參數(shù)以提升力學,、磁學及催化等性能與打印質量。

表1 激光選區(qū)融化制造金屬玻璃的參數(shù)

表2 激光選區(qū)融化制造高熵合金的參數(shù)

總結與展望
金屬玻璃和高熵合金增材制造中制造參數(shù)的變化會導致不同微觀結構與性能的出現(xiàn),，可通過參數(shù)優(yōu)化,、掃描策略優(yōu)化、引入新相,、熱處理,、重熔、預熱等方式提升打印質量,。目前亟需解決的問題和未來研究方向包括：缺陷的產生與消除,、裂紋的產生,、消除及熱應力的影響、晶化與相變,、氧化的緩解與化學均勻性,、新的適合增材制造的合金粉末的開發(fā)、過程-結構-性能關系的建立,、實驗與多尺度模擬的結合,、高通量制造、機器學習與人工智能的引入,、增材制造金屬玻璃及高熵合金應用的拓展等,。

作者介紹

第一作者
劉海順，博士/二級教授,，江蘇省“333 工程”培養(yǎng)對象，中國礦業(yè)大學首屆學術委員會委員,、青年學術帶頭人,、優(yōu)秀教學團隊帶頭人、一級學科主任,，中國材料與試驗標準委員會委員,，高等學校物理學類力學研究會理事，悉尼大學,、明尼蘇達大學,、南京大學訪問學者。主要從事非晶及納米晶合金,、增材制造及應力場磁性檢測等的研究工作,，出版專著教材5部，在Add. Manuf.,、J. Mater. Sci. Tech.,、學科教育等重要期刊發(fā)表SCI論文80余篇、教研論文20余篇,；授權發(fā)明專利10余項,；主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金面上項目等科研項目10余項,，獲中國煤炭工業(yè)科學技術,、全國安全生產科技成果、全國煤炭教育優(yōu)秀成果等一等獎勵10余項,；國家自然科學基金委,、科技部、國務院學位辦,、江蘇省科技廳,、波蘭自然科學基金委評審專家,。

通訊作者
楊衛(wèi)明，中國礦業(yè)大學 教授/博士生導師,，力學與工程科學系主任,，青年學術帶頭人、“啟航計劃”培養(yǎng)對象,，入選江蘇省青年科技人才托舉工程,。主要從事深部地下空間開發(fā)關鍵材料、亞穩(wěn)金屬材料強韌機理,、3D打印殘余應力調控與裂紋抑制等方面的研究工作,。在Add. Manuf.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊發(fā)表SCI論文50余篇,，出版教材/專著3部,，被引1400多次；授權發(fā)明專利15項,；主持國家自然科學基金面上項目,、國家重點研發(fā)項目子課題、國家自然科學基金青年基金,、中國博士后特別資助等項目10余項,；擔任全國磁性材料與器件專家委員會常務委員、江蘇省力學學會固體力學委員會委員,，國家自然科學基金通訊評審專家,、波蘭自然科學基金國際評審專家。獲江蘇省優(yōu)秀博士論文,、新疆自治區(qū)自然科學二等獎,、徐州市自然科學論文一等獎等獎勵。

張來昌,，澳大利亞伊迪斯科文大學終身教授,、機械工程學科負責人及先進材料與制造中心主任、德國“洪堡”學者,，2020-2022連續(xù)三年入選全球2%頂尖科學家,。張教授于2005年畢業(yè)中國科學院金屬研究所并獲得博士學位，先后就職于德國達姆斯塔特工業(yè)大學和萊布尼茨固體材料研究所,、澳大利亞伍倫貢大學大學,、西澳大利亞大學和伊迪斯科文大學。張來昌教授長期從事新型材料的制備,、結構和性能,，尤其是新型鈦合金的制備工藝和性能的研究，主要包括：金屬增材制造及其工程應用、生物醫(yī)用鈦合金,、亞穩(wěn)態(tài)合金的制備和性能,。迄今為止，已出版英文專著2本,、書籍章節(jié)21章,，在Progress in Materials Science, Materials Science Engineering R: Reports, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B: Environmental, Acta Materialia, Additive Manufacturing, Composites B: Engineering, Corrosion Science等國際著名學術期刊發(fā)表論文320余篇，論文被引用1.9萬余次,，H指數(shù)76（谷歌學術數(shù)據）,。其部分研究成果已經在澳大利亞廣播電視臺（ABC）新聞頻道全球直播采訪、澳大利亞《訪談》（The Conversation）采訪報道,、中央電視臺（CCTV-4）,、新華社和《科技日報》等知名媒體報道。現(xiàn)擔任International Journal of Extreme Manufacturing,、Advanced Engineering Materials,、《金屬學報-英文版》等十余種SCI期刊的編輯或者編委。

課題組介紹：
中國礦業(yè)大學先進結構與功能材料力學課題組現(xiàn)有教授3人,，副教授1人,，講師2人，碩,、博研究生20余人。主要開展亞穩(wěn)金屬材料力學物理化學性能,、3D打印及深部地下空間開發(fā)關鍵材料等方面的研究工作,。課題組在Add. Manuf.、Corros. Sci.,、Mater. Des.等重要學術期刊發(fā)表SCI論文100余篇,，授權發(fā)明專利近20項，承擔國家重點研發(fā)計劃課題,、國家自然科學基金面上項目,、973計劃子課題、國家自然科學基金重點項目課題等課題20余項,，科研經費1000余萬,。課題組及所在平臺擁有完備的樣品制備、測試與表征及模擬計算設備,，如高真空電弧熔煉爐,、高真空感應熔煉/快淬設備、高真空吸鑄設備,、真空熱處理爐,、真空縱/橫磁場熱處理爐、金屬3D打印機等樣品制備設備；及高溫差示掃描量熱儀,、交/直流磁滯回線測量儀,、動態(tài)機械分析儀、振動樣品磁強計,、電化學工作站,、萬能試驗機、顯微硬度計,、X射線衍射儀,、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡等性能測試與結構表征設備,。

課題組網址：https://amsmlab.cumt.edu.cn/index.htm

引用本文
H.S. Liu, D.F. Yang, Q Jiang, Y.Y. Jiang, W.M. Yang, L. Liu, L.C. Zhang, Additive manufacturing of metallic glasses and high-entropy alloys: Significance, unsettled issues, and future directions, J. Mater. Sci. Technol. 140 (2023) 79–120.